Diseño de microturbina para el aprovechamiento de una fuente energética de baja entalpía

Resumen En este trabajo se muestra el diseño de un sistema energético basado en ciclo Rankine orgánico (ORC por sus siglas en inglés) para el aprovechamiento de la radiación solar directa registrada en Temixco, Morelos. El diseño consistió en definir las condiciones termodinámicas adecuadas a las que opera el sistema energético, considerando el uso de una turbina radial operando en régimen subsónico como expansor, de la cual se extrae una potencia de 10 kW. La turbina fue diseñada para trabajar de manera eficiente bajo las concidiones de operación calculadas para el sistema termodinámico y sus dimensiones satisfacen las condiciones de continuidad de flujo y los criterios adimensionales descritos en la literatura correspondiente al diseño de turbinas radiales. Finalmente se evaluó numéricamente el desempeño de la turbina de acuerdo a la variación del ángulo de comba del álabe en 16 configuraciones seleccionando la que menores perdidas presentó. Paritendo de los datos de radiación solar en Temixco, Morelos, disponibles a través de la Estación Solarimétrica y Meteorológica (ESOLMET) del Instituto de Energías Renovables (IER), se seleccionó el fluido de trabajo con mejor desempeño termodinámico. Se propuso una configuración del sistema que permite operar a la turbina con un flujo másico y condiciones termodinámicas constantes, independientemente de la variación de la radiación solar durante el funcionamiento del sistema. Se dererminaron las condiciones de operación del sistem ORC que permiten a la turbina funcionar en un régimen subsónico y que además permiten que las condiciones termodinámicas a la salida de ésta tengan el menor grado de sobrecalentamiento posible con el fin de aprovechar de mejor manera el recurso energético. Una vez definidas las condiciones de operación del ORC, se llevó a cabo el diseño de la turbina partiendo los datos calculados en el diseño termidinámico. Para esto se determinaron las dimensiones geométricas generales (entrada y salida del rotor) así como las condiciones cinemáticas del fluido para lograr satisfacer la potencia requerida y el criterio de diseño de operar en régimen subsónico. Con estos datos se definieron 16 configuraciones posibles haciendo variar la línea de comba del álabe a lo largo del rotor. Estas 16 configuraciones fueron analizadas numéricamente a través del software CFX 15.0 y de acuerdo a los resultados obtenidos se evaluó y comparó la eficiencia isentrópica y otras iii iv RESUMEN condiciones cinemáticas de cada configuración con el fin de cuantificar los parámetros de desempeño en función a la geometría del álabe a lo largo del rotor. Finalmente se seleccionó la turbina con mejor desempeño. En este estudio se muestra como el R245fa es el fluido de trabajo que mejor se ajusta a la radiación solar disponible. El sistema opera con una relación de presión PR = 2.745 y un sobrecalentamiento del fluido a la entrada de la turbina oh = 1.98 K. El flujo másico calculado para lograr la potencia de 10 kW es de 0.679kg/s. Con estas condiciones de operación, el ciclo termodinámico logra una eficiencia térmica de 3.347 %. El diseño preliminar de la turbina radial quedó definido por los parámetros adimensionales calculados = 0.4 y = 1.1 y de acuerdo a los estudios numéricos, la configuración de línea de comba que mejor desempeño presenta resulta en una eficiencia isentrópica de 75 %. Las contribuciones de este trabajo se son: la metodología de la selección del fluido de trabajo y las condiciones de operación del sistema ORC considerando a una turbina radial funcionando en régimen subsónico, la metodología de diseño preliminar de una turbina radial utilizando únicamente dos parámetros adimensionales asociados con la geometría del rotor y cuantificar la influencia de la línea de comba del álabe en la generación de entropía a lo largo del rotor a través de comparar numéricamente la operación en estado estacionario de la turbina.

Abstract In this work, the design of an energy system based on Organic Rankine cycle (ORC) for the use of direct solar radiation in Temixco, Morelos is shown. The design consisted in defining the appropriate thermodynamic conditions considering the use of a 10 kW radial inflow turbine operating in subsonic regime as the expansion device. The turbine was designed to work efficiently under the conditions calculated in the thermodynamic system and its dimensions meet the conditions of continuity and dimensionless criteria described in the literature corresponding to the radial inflow turbine design. Finally, the performance of the turbine was numerically evaluated according to the variation of the angle of blade camber line in 16 rotor configurations and the configuration with lower losses was selected. Using the solar radiation data in Temixco, Morelos, available through the Solarimetric and Meteorological Station (ESOLMET) of the Renewable Energy Institute (IER), the most suitable working fluid is selected. In addition, a configuration that allows the turbine to be operated with a constant mass flow rate and constant thermodynamic conditions regardless the variation of the solar radiation during the operation of the system was proposed. The operating conditions of the ORC system that allow the turbine to operate in a subsonic regime and also let the turbine outlet conditions have the lower overheating conditions were selected. Once the ORC operating conditions were defined, the turbine design was done using the thermodynamic analysis as input data. The general dimensions of the turbine were calculated as well as the kinematic parameters to satisfy the subsonic operating condition and the power requirements. Sixteen different configurations were proposed in which the camber line differs from one configuration to another. These confifurations were numerically analyzed in CFX 15.0 and the isentropic efficiency along with other aerothermal parameters were evaluated along the blade camberline. The turbine with the best peromance was selected. In this work, R245fa resulted to be the most suitable working fluid. The operating conditions were defined by a pressure ratio PR = 2.745 and an overheating at turbine inlet of oh = 1.98 K. The mass flow rate was calculated to be 0.679 kg/s. With these v vi ABSTRACT operating conditions, the ORC thermal efficiency is of 3.347 %. The radial inflow turbine preliminary design was defined by its two adimensional parameters = 0.4 and = 1.1. The selected rotor configuration showed an isentropic efficency of 75 %. The contributions of this work were: the working fluid and operating conditions selection methodology for the thermo-solar ORC system which used a radial inflo turbine in subsonic regime. The radial inflow turbine preliminary design methodology based on using only 2 adimensional parameters. Quantify the entropy generation along the rotor asociated with the blade camberline variation. Agradecimientos